郝媛媛，張德罡，花立民，蒲小鵬

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州730070)

0 引言

高等農(nóng)林教育面向“脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明和美麗幸福中國建設(shè)”等戰(zhàn)略需求，主動對接正在全球興起的第四次產(chǎn)業(yè)革命，主動培養(yǎng)能夠適應(yīng)和引領(lǐng)未來農(nóng)林發(fā)展需要的新型人才，是“新農(nóng)科”建設(shè)的主要內(nèi)容[1]。對于草業(yè)科學(xué)這一古老而又年輕的農(nóng)林專業(yè)而言，在當前“新農(nóng)科”建設(shè)背景下，更應(yīng)該著力培養(yǎng)草業(yè)現(xiàn)代化的領(lǐng)跑者、牧區(qū)振興的引領(lǐng)者、美麗草原的建設(shè)者。地理信息系統(tǒng)(GIS)作為一項應(yīng)用技術(shù)，可在計算機軟硬件的支持下實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，在解決草業(yè)問題上提供新思路、新技術(shù)和新方法[2]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對接第四次產(chǎn)業(yè)革命(智能化時代)離不開GIS技術(shù)的支持，必須培養(yǎng)能夠適應(yīng)和引領(lǐng)未來農(nóng)林發(fā)展需要的新型人才，包括大量掌握GIS技術(shù)的人才。對于“新農(nóng)科”下的課程體系結(jié)構(gòu)，無論是“三農(nóng)”情懷通識課程，還是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相關(guān)課程，甚至是學(xué)科專業(yè)之間課程的交叉融合和跨界整合，GIS都是一個很好的紐帶。因此，在農(nóng)林院校面向草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)有關(guān)地理信息系統(tǒng)內(nèi)容的教學(xué)，是對草業(yè)科學(xué)專業(yè)內(nèi)涵的必要擴充，也是貫徹落實“新農(nóng)科”、響應(yīng)“安吉共識”“北大倉行動”和“北京指南”的具體要求，同時也對GIS課程教學(xué)提出了更高要求。

1 面向草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生開展GIS課程的目標

面向草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生開展GIS課程的目標主要包括價值、知識、能力和素質(zhì)目標四個方面(圖1)。

圖1 面向草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生開展GIS課程的目標

1.1 價值方面

樹立“學(xué)草必要”“學(xué)草有用”以及用GIS這一新技術(shù)、新理論、新系統(tǒng)保護草地生態(tài)系統(tǒng)的正確思想觀念。

1.2 知識方面

掌握GIS的基本理論，如GIS的基本概念、組成和功能，地球空間參考、空間數(shù)據(jù)投影、空間坐標轉(zhuǎn)換、空間尺度、地理格網(wǎng)等GIS基礎(chǔ)，空間數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)、組織和管理以及空間數(shù)據(jù)采集和處理等方面的基本知識。

1.3 能力方面

具備運用GIS技術(shù)有效解決草原“三化(沙化、鹽堿化和退化)”、草畜平衡管理決策、草業(yè)信息空間分析以及可視化等草業(yè)科學(xué)相關(guān)問題的基本能力。

1.4 素質(zhì)方面

養(yǎng)成運用GIS相關(guān)理論基礎(chǔ)分析和研究草業(yè)科學(xué)相關(guān)問題的興趣和動力，時刻以草地資源保護和可持續(xù)發(fā)展為學(xué)習(xí)目標的基本素質(zhì)。

2 草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)GIS過程中的問題

在進行草業(yè)科學(xué)相關(guān)問題研究時，GIS是一種有效的工具，能夠?qū)崿F(xiàn)草地空間信息的采集、管理、分析和可視化。但是在草業(yè)科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)計中，往往僅將地理信息科學(xué)作為一門課程進行講授，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面臨一些問題。

2.1 地理科學(xué)理論基礎(chǔ)薄弱

草業(yè)科學(xué)專業(yè)在課程設(shè)計方面?zhèn)戎赜诓莸卣{(diào)查規(guī)劃、草地培育、草地保護、草地生態(tài)、牧草及飼料作物育種、栽培、加工貯藏、種子生產(chǎn)加工、草食家畜飼養(yǎng)、牧場經(jīng)營、草業(yè)經(jīng)濟管理、草坪建植與管理等專業(yè)和基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)以及實驗操作技能的掌握。測繪、地圖、坐標系統(tǒng)、地統(tǒng)計分析等GIS所需地理信息科學(xué)基礎(chǔ)知識和技能方面有所欠缺，地理學(xué)思維相對缺乏。

2.2 空間理解和想象能力亟待提高

學(xué)生空間理解和想象能力不足，難以從宏觀尺度實現(xiàn)地理對象的抽象化，不能很好地將地學(xué)思維轉(zhuǎn)換為計算機語言。尤其是對于概念模型、邏輯模型、物理模型等空間數(shù)據(jù)模型以及空間數(shù)據(jù)庫的理解尤為不足。

2.3 交叉學(xué)科知識儲備不足

GIS是一門交叉學(xué)科，涉及地理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)與技術(shù)、測繪科學(xué)與技術(shù)、地圖制圖學(xué)、數(shù)據(jù)庫理論、軟件工程、人工智能等多個學(xué)科和領(lǐng)域，而先修課程主要以公共基礎(chǔ)課和草學(xué)專業(yè)課為主，知識儲備上無法滿足學(xué)習(xí)GIS的要求。

2.4 類型設(shè)置及學(xué)時安排不夠合理

當前，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院草業(yè)科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中GIS課程為大學(xué)三年級第一學(xué)期專業(yè)限選課，2個學(xué)分，共48學(xué)時，其中理論課40學(xué)時，實踐課8學(xué)時。基礎(chǔ)理論課程占比較高，而操作實驗、應(yīng)用案例操作等實踐課時太少，相比于蘭州大學(xué)36學(xué)時理論、18學(xué)時實踐的課程設(shè)置，遠遠不能滿足GIS這門技術(shù)類課程的教學(xué)需求。

3 面向草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生開展GIS課程的教學(xué)內(nèi)容及形式改革

3.1 調(diào)整培養(yǎng)方案，增加實踐占比

培養(yǎng)方案是高校落實人才培養(yǎng)總要求、開展教學(xué)教育活動的綱領(lǐng)性文件，也是高校育人能力和改革方向的載體[3]。針對現(xiàn)有培養(yǎng)方案GIS課程類型設(shè)置及學(xué)時安排不夠合理的問題，應(yīng)在新的培養(yǎng)方案中對GIS課程進行調(diào)整，適當增加實踐課程的占比，甚至同時增加理論和實踐課程的學(xué)時。

3.2 注重混合式模式，豐富教學(xué)內(nèi)容

混合式教學(xué)就是利用網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)技術(shù)重塑教學(xué)模式[4]，除了傳統(tǒng)的線下課堂教師單方面講授外，還要求學(xué)生通過視頻、APP等媒體線上預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和討論。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，混合式教學(xué)不但能夠促進和加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解，而且有助于培養(yǎng)其獨立思考能力、辯證思維能力和公共性學(xué)術(shù)認知等素養(yǎng)[5]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的興起和發(fā)展，線上線下混合式教學(xué)已逐漸取代傳統(tǒng)的教學(xué)模式，成為現(xiàn)行教學(xué)的主流方式[6]。

就草業(yè)科學(xué)專業(yè)《地理信息系統(tǒng)》課程為例，除了線下課堂教學(xué)以外，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)利用在線教育綜合平臺開設(shè)《地理信息系統(tǒng)概論》在線課程，利用互聯(lián)網(wǎng)資源及時向?qū)W生分享與所授課程相關(guān)的課程資料和視頻，豐富教學(xué)內(nèi)容，以幫助學(xué)生理解和消化所學(xué)知識。

3.3 引入新教學(xué)理念，拓寬教學(xué)思路

與傳統(tǒng)教學(xué)(Learning Based Learning)“以教師為主體、以講課為中心”的教學(xué)形式不同，新教學(xué)理念(模型)往往“以學(xué)生為主體、以問題為中心”，更加注重學(xué)生的參與性以及解決問題能力的培養(yǎng)。目前教學(xué)中常用的新型的、先進的教學(xué)理念(模型)主要有STEAM(Science、Technology、Engineering、Art、Mathematics)[7-10]、PBL(Problem-based Learning)[11-13]、CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)[14-16]、ESA(Engage、Study、Activate)[17-19]和BOPPPS(Bridge in、Objective、Preassessment、Participatory learning、Postassessment、Summary)[20-22]等。各教學(xué)理念(模型)各有特色，在實際教學(xué)過程中，針對不同的教學(xué)內(nèi)容靈活透徹地運用某一種或某幾種教學(xué)理念(模型)無疑是拓寬教學(xué)思路、提高教學(xué)質(zhì)量的最佳途徑。

BOPPPS是一種以學(xué)生為中心、鼓勵和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動投入或參與學(xué)習(xí)的教學(xué)模式[20-22]。以ArcGIS專題制圖為例，引入BOPPPS教學(xué)理念(圖2)：首先通過大量精美的、有特色的專題地圖產(chǎn)品引入主題(導(dǎo)入)，然后確定學(xué)習(xí)目標，接著提出問題并針對所提問題展開討論(前測)，進而帶領(lǐng)學(xué)生實踐操作(參與式學(xué)習(xí))，再次讓學(xué)生繪制感興趣的專題地圖并進行展示和點評(后測)，最后對本次課程進行總結(jié)。這種模式不但拓寬了教學(xué)思路，而且增加了教學(xué)的自主性、開放性、探究性、全員性、交互性和系統(tǒng)性[4]以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

圖2 BOPPPS模型及其在ArcGIS專題制圖中的設(shè)計

3.4 多元化教學(xué)模式，活躍課堂氛圍

在課堂教學(xué)過程中，除了傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式以外，還可以靈活運用引導(dǎo)啟發(fā)式、討論式、辯論式、參與式、任務(wù)驅(qū)動式、演示式、示例式、混合式、多維互動式等多元化的教學(xué)模式。

以空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，在學(xué)習(xí)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，由學(xué)生組成紅藍兩支辯論隊，圍繞“柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)VS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”展開辯論，學(xué)生興趣濃厚，從課前的查閱資料進行辯論前的準備，到課堂上的唇槍舌劍，再到課后的意猶未盡，既活躍了課堂氣氛，又讓學(xué)生在輕松愉悅的氛圍下不知不覺掌握了所學(xué)知識并加以融會貫通。

3.5 加強過程性考核，鞏固學(xué)習(xí)成果

過程性考核是對學(xué)生日常學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)、所取得的成績以及所反映出的情感、態(tài)度、策略等方面的發(fā)展做出的評價考核。2018年8月，教育部印發(fā)《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》(教高函〔2018〕8號)，強調(diào)“要切實加強學(xué)習(xí)過程考核，加大過程性考核成績在課程總成績中的比重”。實施過程性考核應(yīng)遵循過程性、理解性、評價性和發(fā)展性4個原則[23]。于學(xué)生而言，出勤、課前預(yù)習(xí)、課堂提問及討論、課堂筆記、課后作業(yè)、綜合性大作業(yè)、探究性小論文、團隊作業(yè)、專題調(diào)研報告、教學(xué)實踐活動、階段性測驗、課程設(shè)計等多元化的過程性考核方式[24-25]，不但能夠激發(fā)學(xué)習(xí)動力，循序漸進地鞏固學(xué)習(xí)成果，而且有利于調(diào)控學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生獲得成就感，增強自信心，培養(yǎng)合作精神。于教師而言，通過“評價診斷、反饋信息、修正問題、提高質(zhì)量”等階段，能夠改進教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。

要求學(xué)生就所學(xué)知識繪制思維導(dǎo)圖是過程性考核的一種有效方式，有助于鞏固學(xué)習(xí)成果。以空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，通過思維導(dǎo)圖可以掌握學(xué)生對于章節(jié)內(nèi)容以及知識點的掌握程度，包括知識點是否覆蓋全面、理解的深入透徹等等，在教師和學(xué)生查漏補缺的過程中共同進步(學(xué)生強化知識短板，教師提高教學(xué)效果)。

3.6 聚焦前沿性研究，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在授課過程中，結(jié)合教師自己的研究方向，以案例形式向?qū)W生介紹牧草生長發(fā)育模擬、草地生態(tài)服務(wù)價值模擬、草畜平衡動態(tài)模擬、牧區(qū)雪災(zāi)預(yù)警模擬、牧草病蟲鼠害監(jiān)測及防控以及草地植被遙感動態(tài)監(jiān)測等草業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的最新研究進展，或者讓學(xué)生聆聽國內(nèi)外專家的學(xué)術(shù)講座或?qū)W術(shù)論壇，來認識本領(lǐng)域的科技前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地引導(dǎo)學(xué)生進行職業(yè)的深入思考，增強服務(wù)“新農(nóng)科、新草業(yè)”的動力。

筆者就以上6項前沿領(lǐng)域針對2017—2019級草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生展開調(diào)查，要求學(xué)生選出最感興趣的3項。105份調(diào)查問卷結(jié)果表明，不同年級(圖3A)、不同性別(圖3B)的學(xué)生所感興趣的前沿領(lǐng)域不同，在實際授課過程中應(yīng)充分考慮學(xué)生的興趣點，針對不同班級及學(xué)生的男女比例情況有所側(cè)重。另外，可以在教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生興趣分組并下發(fā)任務(wù)，讓相同興趣的學(xué)生通過討論、查閱資料、制作并展示PPT等活動充分調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。

3.7 理論與實踐并進，強化應(yīng)用能力

實踐教學(xué)是GIS專業(yè)人才培養(yǎng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。充分利用USGS(https：//earth expiorer.usgs.gov/)、地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)、國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(http：//www.geodata.cn/)、中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https：//www.resdc.cn/)等國內(nèi)外地理數(shù)據(jù)共享平臺，QGIS、PostGIS等開源GIS軟件，以及ArcGIS Online、地圖匯等在線GIS應(yīng)用平臺提供的大量免費數(shù)據(jù)和軟件，提高實踐教學(xué)效率。鼓勵學(xué)生參與到具體的科研項目中并積極申報SIETP項目，或者通過“以賽促學(xué)”的方式鼓勵學(xué)生多參與各個級別的“三創(chuàng)”賽、“甘青寧”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生自然資源科技作品大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”等各種科技競賽以及ESRI、Map GIS、Supermap等公司組織的各種開發(fā)大賽。在整個實踐過程中，教師要充分發(fā)揮“引導(dǎo)員”的作用，把握GIS實踐任務(wù)的內(nèi)容和方向，合理掌控任務(wù)進度，為學(xué)生指明如何從現(xiàn)實世界通往GIS世界的道路，讓學(xué)生在實踐中鞏固和提升空間思維、軟件操作和協(xié)作分析能力，以達到課后強化應(yīng)用的目的。

圖3 不同年級、不同性別學(xué)生感興趣前沿領(lǐng)域占比

本科生導(dǎo)師制是督促學(xué)生學(xué)以致用，強化應(yīng)用能力的有效方式之一。在學(xué)生入校之初即可根據(jù)自己的個人興趣自由選擇相關(guān)方向的導(dǎo)師，參與該導(dǎo)師的科研項目以提前培養(yǎng)科研興趣。以筆者指導(dǎo)的一名本科生為例(圖4)，學(xué)生在申請校級SIETP之時，還比較迷茫，僅對GIS有點興趣，但并沒有明確的方向，對于撰寫申請書也毫無經(jīng)驗。此時，需要指導(dǎo)教師指定題目和方向，幫助其明確研究思路和技術(shù)路線，細化數(shù)據(jù)下載、預(yù)處理到分析的步驟。隨著項目的持續(xù)推進以及學(xué)生對于GIS課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于理論知識和實踐操作越來越熟悉，總結(jié)成果撰寫論文的過程中科技論文寫作水平逐步提高，PPT制作、演講和臨機應(yīng)變等能力在各種競賽中得到鍛煉和加強。項目順利完成后，學(xué)生已經(jīng)能夠?qū)⒄n程內(nèi)容融會貫通，主動探討自己的想法以及下一篇論文的思路，并利用寒假完成數(shù)據(jù)分析和論文初稿的撰寫工作。在此過程中進一步強化了理論知識，熟練了操作技能，提高了科技論文寫作水平。期間，作為唯一做報告的本科生兩次參加學(xué)院研究生學(xué)術(shù)論壇，是對自我的挑戰(zhàn)，也是對GIS知識的強化。兩年的學(xué)習(xí)和實踐，使該生找到了自己的興趣所在，明確了考研的專業(yè)方向，并成功進入理想大學(xué)開啟了新階段的學(xué)習(xí)和生活。同樣的，還有許多學(xué)生通過本科生導(dǎo)師制明確了人生目標和方向，教師要做的就是充分發(fā)揮好“引導(dǎo)員”的作用，讓學(xué)生在理論和實踐學(xué)習(xí)中實現(xiàn)自我價值。

圖4 GIS理論與實踐綜合應(yīng)用人才培養(yǎng)實例

3.8 融入思政元素，培養(yǎng)時代新人

2020年6月，教育部發(fā)布的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，高校課程思政要做到全程融入課堂教學(xué)建設(shè)，并在所有學(xué)科專業(yè)中全面開展。因此，挖掘GIS課程的思政元素，在GIS課程知識點中找到豐富的思想政治教育內(nèi)容，是GIS“課程思政”的重要任務(wù)。

GIS作為一門新興的交叉學(xué)科，集理論和應(yīng)用于一體，蘊含了很多值得深度挖掘的思政元素。例如專題地圖制作過程中，可以讓學(xué)生在地圖上尋找自己家鄉(xiāng)所在位置，并向大家介紹家鄉(xiāng)的地域特色、歷史沿革和自然人文景觀，以增強學(xué)生的家國情懷；強調(diào)在地圖制作以及公開發(fā)表(出版)過程中應(yīng)遵守《中華人民共和國測繪法》的相關(guān)規(guī)定，并根據(jù)《地圖審核管理規(guī)定》按要求獲得審圖號以提高版權(quán)保護意識，激發(fā)學(xué)生利用GIS服務(wù)國家安全的愛國意識。在GIS技術(shù)支持下以地圖的形式講解新型冠狀病毒肺炎擴散情況，引導(dǎo)學(xué)生認識維護公共安全的重要性；介紹地形圖時重點強調(diào)其保密性，以提高學(xué)生測繪的保密意識；運用GIS的空間分析功能展示我國退耕還林、防沙治沙、流域綜合治理等生態(tài)恢復(fù)工程的恢復(fù)成效，向?qū)W生灌輸“山水林田湖草沙共治，人與自然和諧共生”的生態(tài)平衡和發(fā)展理念；通過向?qū)W生介紹我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)過程和作用潛移默化培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感、工匠精神、勇于擔當和甘于奉獻精神、創(chuàng)新精神以及團隊合作意識，貫徹“富強、愛國、和諧”等社會主義價值觀。

4 結(jié)語

“新農(nóng)科”背景下的草業(yè)科學(xué)專業(yè)學(xué)生地理信息系統(tǒng)本科教學(xué)，更應(yīng)著眼于更新知識體系，重組專業(yè)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新教學(xué)方式，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓寬教學(xué)思路，活躍課堂氛圍，聚焦前沿研究以及強化應(yīng)用能力，實現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提升。以推動農(nóng)業(yè)科學(xué)與信息科學(xué)和工程技術(shù)的深度交叉融合，拓展傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，尤其是傳統(tǒng)草學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵，構(gòu)建高等農(nóng)林院校草業(yè)科學(xué)教育的新理念、新模式，以此推動復(fù)合型草業(yè)科學(xué)人才的培養(yǎng)。